随钻电磁波电阻率测井(EWR)基础知识

随钻电磁波电阻率测量技术

一、引言

提高服务质量，降低服务成本是工程技术服务努力追求的目标。随钻测井相对于电缆测井具有多方面的优势：一是随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的，能够更真实地反映原状地层的地质特征，提高地层评价精度；二是随钻测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用时间，从钻井一测井一体化服务的整体上节省成本；三是在某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层)钻井时，电缆测井困难或风险大以致不能进行作业时，随钻测井是唯一可用的测井技术。因此，随钻测井既提高了地层评价测井数据的质量，又减少了钻井时间，降低了成本。

（一）、随钻测井技术发展 现代随钻测井技术大致可分为三代：

90年代初以前属于第一代，提供基本的方位测量和地层评价测量，在水平井和大斜度井用作“保险”测井数据。但其主要应用是在井眼附近进行地层和构造相关对比，以及地层评价。随钻测井确保能采集到在确定产能和经济性、减少钻井风险时所需要的测井数据。

90年代初和中期属于第二代，方位测量、井眼成像、自动导向马达及正演模拟软件相继推出，通过地质导向精确地确定井眼轨迹。司钻能用实时方位测量，并结合井眼成像、地层倾角和密度数据，发现目标位置。这些进展导致了多种类型的井，尤其是大斜度井、超长井和水平井的钻井取得很高的成功率。

从90年代中期到目前属于第三代，称为钻井测井(Logging for Drilling)，提供界定地质环境、钻井过程、采集实时信息时所要求的数据。

表1 随钻测井技术发展

年份 里程碑技术 年份 里程碑技术 1929 第一项随钻测量专利 1930 电缆传输的随钻电阻率测井 1969 第一代泥浆脉冲遥测系统 1970 第二代泥浆脉冲遥测系统 1978 泥浆遥测系统Teleco商业化 1984 随钻电磁波电阻率测井 1986 随钻中子孔隙度测井 1987 随钻密度测井 1993 电阻率、密度、中子三组合随钻测井 1994 硬地层随钻声波测井 1995 随钻电阻率、密度成像测井 1998 软地层随钻声波测井 2001 随钻核磁共振成像测井 2003 随钻地层压力测试 2005 新一代随钻测井系统Scope

1

（二）、随钻测井的一般知识 1、随钻测量MWD

包括井眼几何形状（井眼尺寸、井斜、方位等）的测量，与钻井工程相关的工程参数（钻压、钻具扭矩、井眼压力、转速、环空压力等钻井参数）的测量，以及对自然伽马、电阻率的测量。主要是测量工程数据，并具有单一性。

2、随钻测井LWD

在随钻测量MWD的基础上，增加了识别岩性和孔隙性、判识储层的方法如中子、密度等，能对储层做出基本的评价。其测量数据具有综合性。

3、随钻地质导向测井

具有了相对完善的随钻测井系列，其数据采集和数据分析具有实时性。 地质导向是上世纪90年代发展起来的前沿钻井技术。所谓地质导向，就是使用随钻测量数据和随钻地层评价测井数据，以人机对话方式来控制井眼轨迹的技术。由美国Spsrrysun公司生产的FEWD地质参数无线随钻测量仪，是近年来在不断改进MWD和LWD工具的结构、性能和可靠性基础上发展起来的一种新型无线随钻测量仪，与LWD随钻测井仪相比，FEWD具有测点靠近钻头、探测深度大、垂直分辨率高的优点。它将地质参数测量传感器与工程参数传感器组合在一起，根据设置内容顺序采集最新的工程、地质数据，统一编码后，由脉冲信号发生器以正脉冲的方式，通过钻柱内的钻井液传至地面。地面设备对钻井液脉冲进行检波、编码、处理后，形成数据和测井曲线。FEWD除进行轨迹几何导向(三维导向)外，主要用于地质导向和随钻地层评价。

而导向钻井技术在水平井施工中是一项常用的关键技术。在轨迹控制中，根据实际情况和地层剖面要求，可采用定向造斜和转盘钻交替进行调整井身轨迹，以对井身轨迹进行有效控制，使得实钻轨迹沿设计和预测趋势发展，以达目标点，而且使井眼光滑畅通，有利于携砂、清除岩屑、保证钻进安全。

如何进行水平井的井眼轨迹控制，是水平井施工技术的核心，并贯穿于钻井的全过程。其井眼控制工艺技术主要包括：钻具组合选用、测量技术、井底预测技术、影响轨迹控制因素分析和实时综合分析技术等几个方面。井眼轨迹控制技术，随着水平井在不同区块施工、不同区块每口井的地质情况变化、在控制过程中遇到的问题不同等，其表现有以下几个方面：一是实钻地质情况复杂多变，油层埋深与设计深度差异大，井眼轨迹需要随地质情况变化及时进行调整；二是水平段油层埋深在横向上变化不一，有从低部位到高部位的，也有从高部位到低部位的，还有先从低部位到高部位然后再下降的；三是不同区块工具造斜能力和地层对井眼轨迹的影响不同；四是测量数据的相对滞后，对地质导向和井眼轨迹的预测和调整带来的困难；五是老平台钻井的防碰问题，在水平井钻井中更为突出，在水平井的直井段、造斜段及水平段，都存在防碰问题，要特别小心。

地质导向钻井技术的关键，是把以前的几何导向变为地质导向。以前打井，

2

只要钻遇事先确定的几何目标，即使没有发现油层，钻井工作也算大功告成。而随着勘探开发一体化(称为滚动勘探开发)的发展，钻井不再是单纯为了打井，“打井为了出油”的认识被更多人所重视。地质导向钻井让目标不再固定不变，而是根据油层的位置随时调整，并根据预测确定的固定“几何靶”变成了追踪目的层的实际的不确定“移动靶”；同时，部分测井项目，也由原来的完井后进行，变为随钻随测，在钻进中进行，既缩短了钻井周期，又减少了部分测井费用。

地质导向钻井技术，是以油藏为目标点，通过对实时采集的数据进行分析、研究、采用滑动和转动钻井方式，使井眼轨迹在油藏中钻进。在施工前，通过采用RTGS的软件模拟生成的邻井二维地质电阻率模型图，与实钻的地质资料进行对比，从而及时进行修正井眼轨迹。该系统的关键是对邻井资料及收集处理和实时测井数据的分析判断，确保避水高度及油层最大钻遇率。2004年12月，胜利钻井研究院研制出有自主知识产权的随钻测井仪(LWD)，它能在钻井过程中实时传输伽马和电阻率等地质参数。尤其在中17-平406钻井过程中，LWD测量信息显示情况与地质设计的情况不相吻合，守护现场的工程技术人员针对随钻测井曲线及时调整方案与参数，最终使井眼轨迹穿透了300多米油层，油层穿透率大幅度提高。

4、现代测井服务的三种方式

首先进行随钻测井服务；当随钻测井存在资料漏失、质量问题、或项目缺失时，再采用电缆测井服务，来弥补随钻测井；而完井后，相关工程和地质测井的完善等就需要进行套管井测井服务，包括下套管后的自然伽马、中子、声波、密度、电阻率等，工程测井，动态测井以及剩余油评价等项目。

二、随钻电磁波电阻率测井的物理知识

（一）、电磁波频谱分布与电阻率测井运用频段

不同的电阻率测井方法所用的电磁波的频率的频段是不同的。 电磁波频率 20Hz 200Hz 2kHz 20kHz 200kHz 2MHz 20MHz 200MHz 2GHz

（用 通传电导 极电普于流 电阻场 率的 测测 井井）（各种侧向测井）用于稳定电流场的测井（感应测井）用于稳定电磁场的测井电阻率测井用于电磁波传播的介电测井用于电磁波传播时间或

参见图1，小于200Hz频段主要用于基于传导电流场的普通电阻率测井；侧

3

图1 对电阻率测井有用的电磁波频谱部分

向仪器工作频率约为10kHz左右，感应仪器工作频率约为20kHz，工作频率在50kHz以下的仪器设计尽量使波的传播效应减到最小。电磁波传播测井的可用频率范围从0.5 MHz～10 MHz,利用15 MHz～100 MHz的频率范围，就有可能测量电阻率和介电常数两种参数，从约300MHz～2GHz，介电效应超过电阻率效应，就可直接测量介电常数，当频率超过2GHz时，探测深度很小，不能得出有用的地层电阻率测量值。

随着频率的增大，介质的介电效应显著增大。

在高电阻率地层中，介电常数对电磁波电阻率仪器的响应有一些影响，介电常数使所测得电阻率小于实际的地层电阻率。

随钻电阻率测量技术是对地层的电磁波传播特性响应，而不是直接对地层电阻率特征响应。

（二）、随钻电磁波电阻率测井仪器的基本结构与基本性能 1、基本方法

随钻电磁波电阻率测井仪器的载体是由一种被称为蒙乃尔合金的金属材料制成的无磁钻铤。电磁波电阻率仪器EWR测量多采用多个发射器和接收器，接收器一般有两个，补偿式测量地层不同深度的电阻率。图2是具有单发射器和双接收器仪器（EWR）的示意图，发射天线与接收天线实际上就是由几根铜线绕成的线圈，将其镶嵌在无磁钻铤上，并进行密封。天线与钻铤之间留有足够的间隙，因此保护天线与钻井环境绝缘的材料必须是不导电的，天线与钻铤也必须是绝缘的。

用此装置来测量电阻率有三种途径，一是从两个接收天线的信号之间的相位差推算电阻率（该方法具有某些优越性）；二是从两个接收天线信号的幅度比推算电阻率；三是从相位和幅度比测量值的组合推算电阻率。

图2 EWR 仪器示意图

发射器天线 近接收器天线 远接收器天线

Z1 Z2 发射天线中的电流是测量系统的“波源”，其发射的电磁波在地层中向四面八方传播，波的衰减率和相位移与地层电导率具有密切关系，受井内流体影响比较小，通过接收两个接收天线衰减率和相位差，即可计算出地层电导率。

EWR仪器主要响应电阻率，补偿原理类似于电缆式补偿中子和补偿声波仪器。对两个接收器共同的井眼效应和其他效应，通过取得相位差或幅度比加以抵消。因此，接收器收到的信号仅仅受两个信号所通过的地层的影响。

2、技术特点

电磁波电阻率仪器具有以下特点： ①减小了井径的影响

②减小了井内流体及其侵入的影响

4

对小于13?″的井眼，Rt小于50欧姆米的地层，其校正量小于10%，如图3所示。

③钻井液侵入较小 通常仪器探头距钻头10英尺，若钻速为60英尺小时，EWR测量之前侵入作用只经历了10分钟。

④受钻井液侵入影响小

电阻率测量值相当于深感应的测量值。

⑤EWR视探测深度大约在50英寸（127cm）左右

当侵入深度小于30 cm时，不需要对测量结果做校正；当侵入深度大于120cm时，测量不到侵入带以外的地层电阻率（原状地层电阻率）。

⑥具有良好（较高）的垂向（纵向）分辨率，对薄层和夹层的细分非常有利 中感应的垂向分辨率为25英寸（63.5cm），深感应的垂向分辨率为40英寸（101.6cm）, EWR的垂向分辨率为8英寸（20.3cm）。

3、对仪器设计的基本考虑

图4假设发射频率为2兆赫，平面波界限是指Z1和Z2→∞，相位探测器的范围为90度，被测量的最大幅度比为1。可以看出，相位测量技术比幅度比测量技术优越，而只有当地层电阻率很小时幅度比测量才具有一些优势，因为当地层电阻率大于20欧姆米时，曲线斜率趋近于0。

两个接收天线的间距选择为6英寸，是基于两方面的考虑：一是可使仪器强度足够大，二是在2兆赫频率下可以取得良好的相位响应（接近于90度的最大相位差）。

从发射天线至近接收天线的距离定为24英寸，这是能得到足够的发射器功率和接收器动态范围的最大间距。如果大于这一间距，介电效应将随之增大，而与井眼和侵入带有关的效应将随之减小，因此，与电子线路相协调，此距离选择得越大越好。

若增加频率，则会提高灵敏度，但影响动态范围；若使用较低的频率，天线效率也将随之降低，要得到满意的相位灵敏度还必须加长仪器。

图3 EWR仪器井眼校正

5

100 1.0 0.8

平面波界限 Z1-Z2 = 6″

III

10 相位（度） 1

平面波界限 Z1-Z2 = 6″

II

Z1=30″ Z2 =24″

幅度比 0.4

Z1=54″ Z2 =48″

II I

Z1=30″ Z2 =24″

I

0.2

0.1

0.1

0.1 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 1000

电阻率（欧姆米）

电阻率（欧姆米）

图4 作为电阻率函数的相位差和幅度比

（三）、随钻电磁波电阻率测井仪器的影响因素 1、响应界限和介电效应

1000

仪器读数大于10% 5%

相对介电常100 数10

限相位鉴别误差界工作区

衰减误差界限 1

I

1 10 100 1000 10000 100000

1000 100 10 1 0.1 0.01

电阻率（欧姆米）

图5 EWR仪器的工作区

图5表示一种其参数对应于图4的曲线Ⅰ，Z1=30″，Z2 =24″，频率为2兆赫，具有一个90度相位探测器，其分辨率为0.25度的仪器的工作界限。在10000毫姆欧/米处的垂直线代表接收器有限动态范围的界限，对角线是被测介质的介电常数施加在电导率中的恒相对误差。介电常数的固定值往往引起电导率固定的误差，而与电导率的数值无关。电导率测量值的绝对误差与介电常数成正比。

2、井眼影响

如同声波仪器在井内的声传播一样，井内接收天线接收到的电磁波信号有三种成分（忽略侵入作用）：一是发射天线到接收天线的直达成分，二是由井壁反

6

射的成分，三是进入地层后的折射成分，如图6所示。很明显，只有折射波才是有意义的。

假设发射器到接收器的距离比起井眼直径要大，那么对于大多数有意义的情况，只有折射波能在接收器上做出有效的贡献。若井眼电导率ζ1远大于地层电导率ζ2，则反射波和直达波的衰减比折射波的衰减大，折射波的传播方向平行于井轴；若ζ1<<ζ2，井眼中的波长可能比井眼直径要大得多，此时的井眼可看成是一个空腔，电磁波就不能进行传播。

相位差测量方法的优点是井眼影响接近于抵消。当发射器到接收器的距离增大时，井眼校正量随之减小。当

ζ1/ζ2<160及ζ1>0.2

时，井眼校正量不超过10%，通常小于1%。

3、侵入影响

同井眼影响分析一样，假设发射器到接收器的距离大于侵入带直径，当侵入带电阻率大于地层电阻率并且侵入带的波长超过侵入带的直径时，折射波超过反射波和直达波而占优势。侵入带对所测的电阻率的影响随着发射器到接收器的距离的增大而减小。

假设井眼、侵入带和地层电导率互不联系，对仪器的响应做数字分析，证实了侵入带参数与井眼参数是不相关的。给定一个侵入带电阻率及一个地层电阻率，所测量的电阻率（在侵入带直径的相当窄的范围内）从地层电阻率变化到侵入带电阻率这个范围的平均直径随着侵入带电阻率或地层电阻率的减小而减小，侵入带电阻率对此直径的影响大于地层电阻率的影响。对于EWR仪器，在0.5欧姆米侵入带及5欧姆米地层条件下，此直径约28英寸。

几何因子理论不适用于EWR仪器：曾试图从所观测的电阻率推导出几何因子作为侵入带直径的函数，结果是一簇曲线，取代了单纯的几何理论曲线。

4、地层的影响

对于两个具有不同电导率的半无限介质之间的水平界面附近的响应，当仪器从相对高阻介质到达一个高导介质时，仪器所测量的相位差接近于90度减去在高阻介质中预期得到的相位差；当仪器从相对高导介质到达一个高阻介质时，所测量的相位差接近于0度。仪器在进入一种地层之前已预受其影响，如图7所示。

在Z=0处，远接收器处在界面上。当远接收器一旦通过界面，由于两种介质中的波长不一样，相位呈现急剧变化，这种变化持续到近接收器越过界面之后，

7

图6 EWR仪器电磁波传播路径示意图

随后进入较慢的近似于线性的相位变化区，此过程延续到发射器通过分界面。

当仪器远离界面时，能正确地读出介质的电阻率。

当介质1的电导率大于介质2的电导率时，仪器响应的趋势与上述讨论的相似。

对于电导率比上下介质大的有限厚度的地层，厚层响应基本上类似于图7的两个响应曲线的混合；薄层响应则有一些重要区别，如图8所示。在远接收器进入地层前与层厚无关，一旦进入薄的导电地层之后，相位开始急剧下降，直至远接收器通过另一地层界面。

相位差 分界面至远接收器左边的距离

图8 通过导电地层时的典型响应

周围是较高电导层的薄电阻层的响应更复杂。当远接收器到达这种地层时，同时受两个地层界面的影响，仪器对薄电阻层的预先反映比对薄电导层差得多，这一点阻碍了仪器在薄电阻层的读值，而在薄电导层可轻易达到。

从仪器分辨率的角度考虑，对于EWR仪器，两个接收器间距为6英寸，那么只有在厚度至少为3个间距或18英寸的地层中，才能取得完整的读数。

（四）、EWR测井的物理分析

8

在导电媒质中存在振动的磁偶极子，设偶极子位于Z=0处，沿Z轴定向，则磁场分量Hz由下式给出：

?1iK?Hz?Ae?iKZ?3?2? （1）

Z??Z式中，A：决定偶极子的强度，相当于初始幅度；

K：无介电效应的波数，单位为1/m，即每米传播的波数。

?i??2K?K0?r??? （2）

???0?1式中，K0???r?0?，自由空间（真空）波矢量（即波数） ?r???0：介质的相对介电常数；

?0?10?9/36??8.85?10?12：自由空间（真空）介电常数；

??2?f：角（圆）频率；

?：介质的电导率，毫姆欧/米或以西门子表示；

i??1：虚数符号

由（1）、（2）式可以看出，电导率对波数的影响是很明显的，电导率越大，波数K随之增大，而磁场分量Hz则越小，即在低阻层，电磁波衰减越大。

对于多数媒质，波数是一个复数，实数部分决定电磁波的波长，可以通过测量已知间距的两接收器的电磁波相位差估算出来；虚数部分决定电磁波的衰减率，可以通过测量已知间距的两接收器的电磁波衰减估算出来。

对于一个良导电体（Rt<20欧姆米的地层），?/(i??)>>1，量值?/(??)被称为损耗正切值。

公式（2）可简化为：

K?因为

1??1?r?0???1?r?0????1???i?1??? (3) ????2???2???1?r?0?<<1, (3)式可再简化为：K???1?i??1

2?式中，δ为导电介质的趋肤深度（厚度），长度单位,??2??? (4)

式中，?：磁导率，亨/米，?0?4??10?7：自由空间（真空）磁导率；

在沉积岩中，?与?0接近（由于在钻孔周围的地层中，?极少偏离其自由空间值?0。），趋肤深度主要与介质的电导率? 有关，?r可以忽略。

对于电阻为1欧姆米的地层，在频率为2MHz时，趋肤深度δ为14英寸。也就是说，对于2MHz的电磁波在1欧姆米的地层中传播时，每传播14英寸，电

9

磁波幅度衰减1e?36.788%或-8.7dB，相位延迟1弧度或57.3o。2MHz的电磁波在电阻率为1欧姆米的地层中传播波长为2??，即88英寸。

应用相对差和幅度比的响应可用H1（当Z=Z1时的Hz值）除以H2（当Z=Z2时的Hz值）来确定，可得

???Z1?Z2?H1?2?2K?Z1?2Z1??Z1?Z2??Z2?exp?i??????32 (6) ??2H2??????Z1??2K?Z2?2Z22其中： tan????令： ??Z2?Z1

?2???Z1?Z2??2Z1Z2Z1?Z2???(5)

在平面波界限内，ξ=0，则??在平面波界限内，幅度比为：

Z1?Z2?。

AR???exp??Z1?Z2???? (7) AP2??5、介电效应对视电阻率的影响

对于一个电导率非常低但不等于0，即?/(i??)<<1的地层（高阻层），介电常数ε和电导率ζ对电磁波传播的衰减和相位移的影响都非常重要，尤其是介电常数ε。用地层电阻率估算介电常数ε的公式为：

??108.5Rt0.35?0?5 (8)

可以看出，如果由(8)式估算的介电常数不准，就会对视电阻率影响很大。介电常数估算值偏低，那么相位移数值增大，衰减数值将减小。在这种情况下，用相位移估算的电导率ζ（电阻率）将会增大（减小），用衰减估算的电导率ζ（电阻率）将会减小（增大），因为相位移和衰减都是与ζ成正比的。

对于平面波，?d?Kd?Z1?Z2? (10)

Kd???????????1?r0? (9) 2?2??下标d用来表示已包括介电效应。

当介电效应明显时，对平面波来说用下式计算电导率ζ′而不进行校正是错误的：

2??d?????? (11)

???d?2将(9)和(10)式代入 (11) 式，即可写出被测电导率的误差。 ???????r??0

10

上式与ζ无关，为了简化随后的偶极子分析，令 Kd?K??r? 式中： K? ?????2

??0??

22??? ??那么 ?d??K??r???Z1?Z2???1??r???2??r?

33?Z1Z2 ????d???2?r?K??1?2KZ?2K2Z2?1?2KZ?2K2Z21122?2应用平面波相位关系式可以估算由于偶极子介电效应而引起的电导率变化。平面波相位关系式为：

?pw??Z1?Z2????2 (12)

如果用Δζ代表ζ的小变化，??pw为平面波相位的相应变化，则 ???2?用(12) 式求出ζ，并代入(12) 式得

??pw?pw (13)

???4?pw??pw???Z1?Z2?2 (14)

由此，对于有介电效应的偶极子，可以估算出Δζ，从而计算出相对误差，以达到正确确定地层电导率（电阻率）的目的。

6、传播损失

当ζ=0（在空气中）时，k??=0、k?????，说明电磁波传播时没有耗散（衰减）。但对于6.5英寸的CDR仪器在空气中时，接收器之间仍能测量到约4.9dB的衰减，这个衰减不应归于电磁波在空气中的消耗损失，而是电磁波离开发射器传播时波阵面的增加所引起的，我们称这种现象为传播损失。传播损失仅仅与几何尺寸有关，如线圈的直径、发射器与接收器的相对位置等，例如，如果仪器线圈的间距发生了变化，k值不会改变，但传播损失将发生变化。包含在波数k内的能量损失才是由地层电导率引起的耗散损失。

7、井眼补偿

井眼补偿是用来消除因井眼扩径或不规则等环境影响引起的测量误差，因电子漂移、接收线圈之间不同尺寸或不同间距以及线圈保护层之间任何有关电的差异等硬件影响引起的测量误差。

混合井眼补偿依赖于由两个发射探头的平均测量值计算出的衰减或相位差

11

测量值，这个测量值与位于两个发射探头中点的发射探头（假设有一个发射探头）的衰减或相位差测量值非常接近。很简单，这就允许我们设计不对称的天线阵列来实现多个间距的测量，同时提供粗略的井眼补偿。

8、探测深度

相位电阻率的探测深度随测量间距的增加而增加。最长间距排列得到最深处的电阻率读值，最短间距排列得到最浅处的电阻率读值，对于补偿双电阻率（CDR）仪器，衰减电阻率的探测深度比相位移电阻率的探测深度深；对于ARC5电阻率仪器，最短间距（10in.）衰减电阻率的探测深度总是比最长间距（34in.）相位移电阻率的探测深度深。换句话说，最浅的衰减电阻率总是比最深的相位移电阻率的探测深度深。

9、垂直分辨率（薄层的响应）

尽管5个相位移电阻率有随测量间距增加的探测深度，但垂直分辨率非常接近，5个衰减电阻率的垂直分辨率也非常相近。对于CDR仪器，相位移电阻率与衰减电阻率相比呈现出较高的垂直分辨率。

10、各向异性（非均质）地层的响应

在某些地层中，电阻率仪器在垂直井和在水平井中测得的视电阻测量结果可能存在相当的差异，这种类型的地层被称为各向异性地层。在垂直井中电阻率仪器的发射探头产生的电磁波在地层中感生的电流只沿水平方向流动，因此，垂直井中的电阻率仪器只响应于水平方向的电阻率；在水平井中感生的电流一部分沿水平方向流动，一部分沿垂直方向流动，因此视电阻率就是水平电阻率和垂直电阻率的综合值。在非均质地层中，垂直电阻率总是比水平电阻率大。在均质地层中，这两个电阻率值是一样的，与方向无关。

对于ARC仪器，非均质地层的影响对不同间距的相位移电阻率和衰减电阻率是不同的，这就使得仪器能够识别非均质地层。有趣的是非均质地层几乎总是含油气地层，如果每个地层都饱含水，那么其电阻率的差异是很小的，并且其有效的非均质响应也很小；如果一个地层富含油，那么该层与不含油的夹层相比，其电阻率将高许多，例如夹层是一个泥岩（即页岩），并且其非均质的影响也大。

四、电阻率测量（以ARC5仪器为例）

ARC5仪器的5个发射探头为非对称排列， 3个（T5、T3、T1）位于相距6in.的两个接收器（R1、R2）的上面，2个（T2、T4）位于接收器下面，详细结构图见附录。

1、原始幅度和相位数据测量

一个发射探头发射2MHz的电磁波(F2)，远、近两个接收探头就测量两个幅度(AR1T1F2和AR2T1F2)和两个相位(PR1T1F2和PR2T1F2)的原始数据，5个发射探头就有10个幅度和10个相位的原始数据。

2、无补偿校正的衰减和相位移测量

12

每个发射探头的两个幅度测量值计算一个衰减测量值（AT），单位为dB，计算衰减的通用公式为：

ATT1F2=-20log10(AR2T1F2/ AR1T1F2) ATT2F2=-20log10(AR1T2F2/ AR2T2F2) ATT3F2=-20log10(AR2T3F2/ AR1T3F2) ATT4F2=-20log10(AR1T4F2/ AR2T4F2) ATT5F2=-20log10(AR2T5F2/ AR1T5F2)

同样，对于每个发射探头，远接收探头测量的相位减去近接收探头测量的相位就得到一个相位移（差）测量值（PS）：

PST1F2= PR2T1F2- PR1T1F2 PST2F2= PR1T2F2- PR2T2F2 PST3F2= PR2T3F2- PR1T3F2 PST4F2= PR1T4F2- PR2T4F2 PST5F2= PR2T5F2- PR1T5F2

3、井眼补偿校正的衰减和相位移测量

5个无补偿校正的衰减根据以下公式得到5个补偿校正的衰减（BHC-ATAN）： BHC-ATAN-10H = 0.75ATT1F2+0.5ATT2F2-0.25ATT3F2 BHC-ATAN-16H = 0.25ATT1F2+0.5ATT2F2+0.25ATT3F2 BHC-ATAN-22H = 0.25ATT2F2+0.5ATT3F2+0.25ATT4F2 BHC-ATAN-28H = 0.25ATT3F2+0.5ATT4F2+0.25ATT5F2 BHC-ATAN-34H = -0.25ATT3F2+0.5ATT4F2+0.75ATT5F2

5个没有做补偿校正的相位移（差）根据以下公式得到5个补偿校正的相位移（差）（BHC-PSHF）：

BHC-PSHF-10H = 0.75PST1F2+0.5PST2F2-0.25PST3F2 BHC-PSHF-16H = 0.25PST1F2+0.5PST2F2+0.25PST3F2 BHC-PSHF-22H = 0.25PST2F2+0.5PST3F2+0.25PST4F2 BHC-PSHF-28H = 0.25PST3F2+0.5PST4F2+0.25PST5F2 BHC-PSHF-34H = -0.25PST3F2+0.5PST4F2+0.75PST5F2 五、水平井中电阻率曲线的特殊变化

由于水平井钻井的特殊要求，水平井的钻井泥浆具有更强的携屑能力、防膨胀性能以及更小的失水率，泥浆性能的改变对地层的侵入程度和对测井的影响都有不同程度的改变。统计结果表明，绝大多数水平井的钻井泥浆电阻率比直井的高，在水平井水平段钻进中采用了暂时封堵式泥浆，对油层起到了保护作用，同时也使得水平井随钻测量的电阻率比相同地质条件下直井测的电阻率略高些，高的程度与岩性、物性、含油性、层间流体压力和地层水矿化度及钻井泥浆矿化度有关。许多电阻率测井曲线反应的是地层各向异性、侵入和邻层效应的综合特征，

13

因此每一种效应对地层真电阻率的影响都要考虑到。

1、在水平井的大斜度段，油层的顶、底界面都可能出现电阻率曲线比自然伽马曲线的加厚现象，这主要是因为探测深度大的电阻率测井仪在将要进入油层之前和仪器刚离开油层后都能探测到部分油层的信息。

2、在水平段，当探测深度超出井轴与油层界面之间的距离时，得到的测井值就会受到围岩的影响，超出的程度越大，受围岩影响越严重，甚至出现油层的深电阻率小于浅电阻率的现象。

3、当水平段井眼轨迹接近上、下泥岩层时，探测深度最深的曲线首先作出反应，表现为电阻率的降低，探测深度越大的降低幅度越大。在自然伽马测井值变化不大的情况下，电阻率测井值的降低和深浅电阻率曲线之间幅度差减小是井眼轨迹接近围岩层的显示。

4、当水平段井眼轨迹钻遇厚泥岩或钻出砂体边界时，除了自然伽马测井值达到直井中泥岩层数值范围外，最明显的特征是探测范围7ft 以下的电阻率测井值降低到油层电阻率下限值以下，接近或达到直井中泥岩层的数值，探测范围最大的也会出现大幅度的降低，有时也会降低到油层电阻率下限值以下。

5、比较相位移和衰减电阻率测量值可区分高导侵入和各向异性地层。对于各向异性地层尽管相位移电阻率曲线测出其为高导侵入剖面，而相应的衰减电阻率值却较低；如果是高导侵入剖面造成相位移电阻率曲线分离，那么深视衰减电阻率读数要比相位移电阻率大，这是衰减测量值的重要应用之一。

同直井的电缆测井解释一样，水平井随钻测井解释也要结合地震解释剖面、沉积环境、钻井、开发动态等资料进行综合解释，以便做出更准确地判断，及时提出井眼轨迹的修改意见，保证水平井钻井的成功率，创造更好的经济效益。

14

附录

一、几种随钻电阻率测井仪器（电磁波传播测井仪）

1、RAB——斯仑贝谢下属的Anadrill公司的钻头电阻率仪器，工作频率1.5kHz,环形发射线圈距仪器底部仅1～2in，电流通过钻头流入地层（钻头作为供电电极），返回到远离钻头的节箍处，并在钻头附近建立恒定电场。已知电压，测量流过钻头的轴向电流，就可用欧姆定律计算钻头处的地层电阻率(如图7—1)。利用该测量可精确地指示钻头所穿过的地层的位置，分辨率为2～6in。（属于侧向类的随钻电阻率测量仪器）。

2、ARC5——斯伦贝谢阵列电阻率补偿型随钻电阻率测井仪。采用2MHz、400kHz 两个频率，对于高电阻率地层，井眼补偿除去压力、温度、振动的影响，具有高灵敏度的最理想的频率是2MHz；400kHz 的频率对于传导地层能提供一个比较深的探测深度，以及很小的噪声信号（对Rt<0.5欧姆米的地层） 。如图7—2，ARC5仪器直径为4．75in，使用5个发射器（3个位于接收器上面，2个位于接收器下面）向地层发射2MHz的电磁波，提供5个原始的相移测量和5个原始的衰减测量。

ARC5使用了一种独特的井眼补偿技术。标准的井眼补偿（BHC）方法是将接收器周围对称放置的两个发射器的信号进行综合，得到一个补偿测量结果。ARC5依靠三个按顺序排列的发射器的线性组合来进行井眼补偿，这种方法称之为混合井眼补偿法（MBHC）。井眼补偿后的5个相移和衰减可转换成5个刻度好的相移电阻率和5个刻度好的衰减电阻率。由于探测深度随发射器间距的增加而增加，5个相移电阻率代表轴向分辨率几乎相同的5个不同探测深度的地层电阻率值，同样，5个衰减电阻率反映5个更深读数的测量。

15

3、EWR——哈里伯顿公司的随钻电磁波电阻率测井仪器4发双收的天线结构，采用1MHz、2MHz 两个频率。测量电磁波传播过程中的相位移和幅度衰减，确定地层电导率。

0.152m R R 测量点

曲线类型 极浅相位 浅相位 中相位 深相位 极浅幅度-相位组合 浅幅度-相位组合 中幅度-相位组合 深幅度-相位组合 0.152m 0.152m 0.305m 0.305m T 极浅

T 浅

T 中

T 深

EWR在不同电阻率地层的探测深度

0.2欧姆米 15″（0.381m） 18″（0.457m） 22″（0.559m） 30″（0.762m） 25″（0.635m） 30″（0.762m） 38″（0.965m） 50″（1.27m） 20欧姆米 30″（0.762m） 39″（0.991m） 54″（1.3716m） 75″（1.905m） 77″（1.9558m） 86″（2.1844m） 104″（2.6416m） 145″（3.683m） 16

4、Baker Hunghes INTEQ 公司最新的电阻率随钻测井MPR ( Multiple propagation resistivity ）技术是在CDR ( Compensated Dual Resistivity ）技术基础上发展起来的。MPR 属于补偿式电磁波传播电阻率仪器，它有两组补偿发射天线，接收器采用接收上下对称发射器信号的方式进行补偿测量，通过长短源距的相位差及信号衰减进行电阻率测量。图1 是MPR 的测量原理图。

先进的电子技术及完善的天线组合弥补了机械天线的许多不足。这种方法同非对称发射方式采集数据然

后用软件技术进行处理的方法相比有许多优点。它采用阵列天线形式向地层发射不同频率的电磁波，频率不同，探测的深度就不同。此类仪器探测深度由浅到深的动态范围很大，最深的探测范围远远超过泥浆滤液侵人达到的深度。

MPR 技术的主要特点是：精度高，探测范围大；侵人剖面多参数测量；井眼影响小；降低了油基泥浆不良影响的敏感性；提高了纵向分辨率；改进了薄层电阻率响应；2 MHz 与400 kHz 信号组合，提高了水平井中层边界划分能力。该系统可对环境影响进行识别和校正，可以进行介电参数计算。对大斜度井，该系统还具有计算代表各向异性的水平电阻率及垂直电阻率值的能力，有高精度的模型支持及严格的质量控制。MPR 技术的引进提高了电阻率测量的精度，增强了薄层及其流体界面划分的能力，使储层综合解释及详细的油气水分析技术得到改进及完善。

5、EPT——斯仑贝谢公司的电磁波传播测井仪器，工作频率1.1GHz,主要响应介质的介电特性ε，测量电磁波传播时间。

17

二、几种常见矿物的介电常数和电磁波传播时间

矿物 介电常数 电磁波传播时间 ?r tp（毫微妙/米） 石英 4.65 7.2 方解石 7.5 9.1 白云岩 6.8 8.7 硬石膏 6.3 8.4 石膏 4.1 6.8 天然气（甲烷、空气） 1 3.3 油(石油) 2.2 4.9 纯水 80 30 盐水 56 25

18

三、电磁场的趋肤效应

在良导体中，衰减因子近似为 ?f??。对于一般的高频电磁波(GHz)，当媒质导电率较大时，衰减因子往往很大，电磁波在此导电媒质中传播很小的距离后，电、磁场场量的振幅将衰减到很小。因此,电磁波只能存在于良导体表层附近，其在良导体内激励的高频电流也只存在于导体表层附近，这种现象称为趋肤效应。

我们用趋肤深度(穿透深度)来表征良导体中趋肤效应的强弱。电磁波穿入良导体中，当波的幅度下降为表面处振幅的1/e时，波在良导体中传播的距离，称为趋肤深度。

趋肤效应 在高频情况下，电磁波进入良导体中会急剧衰减，甚至在还不足一个波长的距离上，电磁波已受到显著衰减，所以高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象被称为趋肤效应。

电导率越大即导电性越好，工作频率越高，趋肤深度越小，其导致高频时的电阻远大于低频或直流时的电阻。

邻近效应 在若干个载流导体间的相互电磁干扰时，各载流导体截面的电流分布与孤立载流导体截面电流分布是不同的。当存在通有相反方向电流的两邻近导体时，在相互靠近的两侧面最近点电流密度最大；当两载流导体电流方向相同时，则两外侧面的电流密度最小。一般情况下，邻近效应使得等效电阻加大，电感减小。

交变电流通过导体时，导体表面处的电流密度较大，导体内部的电流密度较小，这种现象称为趋肤效应。

1、圆柱型导体

圆柱导体可看成是由许多平行的截面相等的导体丝组成，在近导体中心处的导体丝比导体表面处的导体丝所交链的磁通量为多，因而在近表面处的导体丝的感应电动势较中心处为小，所以在同一外加电压下，表面处的电流密度便较大。

趋肤效应随着频率及导线直径、电导率与磁导率的增大而增大。 电流密度从圆柱导线外表面到中心处的分布，类似于平面电磁波透入导体后的电场强度分布情况，即按指数规律衰减。

频率为50Hz，而直径小于1cm的铜线，趋肤效应可略去不计。

当电流强度随时间增加时，电磁感应产生的涡旋电场使得中心部分的电流密度减小，而边缘部分的电流密度明显增大（加），这种现象称为趋肤效应。

19

dI dt?E 2、无限大的均匀导体

设有一很大的均匀导体，其中有一个面是平面，取该平面作为xoy坐标平面，并取指向导体内部和该平面垂直的线作为z轴。设各点电场强度方向相同，并取该方向为x轴，即设E=Ex，Ey=Ez=0,此外假设电场强度量值只和Z有关，而与x和y无关（平面波）。

??E?E即：??0 （E不随x、y的变化而变化）

y ?x?y设导体中各点电场强度为Ex，导体表面电场强度为E0，则有：

???PZEx?E0e?cos??t?PZ?

P为传播参数（传播效应），利用欧姆定律，可以求得导体中各点电流密度：

????PZ Jx???Ex?J0?e?cos??t?PZ?

????其中J0???E0，是导体表面的电流密度。可以看到，随着Z的增加，Ex和Jx都按指数减小。

在导电媒质中，随时间变化的电场和电流密度，随着向介质内部深入而迅速减小，这种效应称为趋肤效应。（在测井条件下，井壁作为上述平面，地层作为很大的导体介质，进入地层的深度即为Z，那么电流在井壁附近的密度大、电场强。）

趋肤效应不仅与传播媒质的性质有关，而且还和场的角频率ω、传播参数P等等因素有关。

当时间一定时，每向导体内部深入趋肤厚度1/P，即δ=1/P的距离，场就要减小为起始量值的1/e=36.788%（e=2.718），δ这个量叫做趋肤厚度（skin thickness）或透入深度。

12x z

???112???P??????f????? ?由此可见肤厚δ与ζ、μ、f均有关系；频率越高δ则越小。

例如，对于铜，其电导率ζ=1.26×107毫西门子，μ≈μ0=4π×107法拉米，那么，就可求得其不同频率下的肤厚δ： 当f=105Hz时，δ=1/50米=0.2mm f=1000Hz时，δ=1/500米=2mm，

f→0Hz时，δ→∞，相当于直流的传导电流，不存在趋肤效应。 若泥岩的电导率ζ=6.67×10-3毫西门子，f=1000Hz时，δ=200m。

20

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/onvr.html